槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计-新能源.PDFVIP

槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计 链接：/tech/99165.html 槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计 摘要 聚光器组由反射镜、支架结构、跟踪驱动系统等部分组成，其中聚光器支架结构是整个太阳能热发电系统的主要承 载部件，它起到连接、支撑各部件的作用，同时也承受着传给它的各种力与力矩，必须有足够的强度和刚度以保证结 构的可靠性和寿命。此外，支架的重量要尽量减轻，以减轻整体的重量，从而降低成本。鉴于此，本文在聚光器的支 架结构设计过程中引入拓扑优化设计，以便设计出合理的支架结构，主要取得了如下研究成果和结论: 首先，介绍了几种典型的聚光器支架结构，分析各自的结构特点，并选择其中一种作为本文研究的基础模型，然后 对这个结构进行了静态分析，其结果作为优化后的性能对比做准备。 其次，利用HyperWorks的优化模块，以结构的柔度最小为目标，优化后的体积为约束，建立了基于变密度法的聚 光器支架拓扑优化的数学模型，经过多次拓扑优化计算，得到了一些重要的结论。在此基础上根据可制造化处理原则 结合制造工艺要求对优化结果进行了可制造化处理，并得到了一个新的支架结构。 最后，对可制造化处理后的新结构进行了有限元分析，其强度和刚度都得到了提高，随后对支架的截面尺寸又进行 了优化，取得了较好的轻量化效果，从而进一步说明了拓扑优化设计的准确性、可靠性及现实意义。 本文的研究成果不仅可以为企业的产品设计、优化和改造提供实际的参考和指导，解决企业的实际问题，更重要的 是说明了如何利用拓扑优化方法对典型的聚光器支架进行轻量化设计，同时对其他产品轻量化设计提供了有价值的参 考，具有良好的经济价值和社会效益。 关键词：槽式太阳能，聚光器，拓扑优化，有限元分析 一、结构优化设计的发展及现状 现代设计方法是随着计算机的广泛使用而发展起来的一门新学科。在工程设计中，使设计效果达到最佳，或使设计 最优化是设计师一直追求的目标。目前优化方法在很多领域都得到了广泛的应用，例如航空、国防、机械、建筑、电 子、交通、冶金、石油、造船、化工及管理等设计领域，而且也取得了比较显著的经济、技术效果。从数学上将，所 谓优化常指函数的极大值或极小值，对于结构优化而言，是指在满足约束条件情况下，按一定的评价指标寻求最佳的 设计方案，评价指标可以是结构的重量、造价等。 二、聚光器支架结构优化方案的确定 以图3.2（c）为基础模型进行研究，反射镜的抛物线 方程为 开口距离为2.5m，焦距为0.85m，每个聚光器单元长度为4.3m，共6片聚光镜。每组镜子由6块镜子通过连接支架连接 到扭矩管上，连接到采用弧形板，其截面尺寸为30mm*30mm*3mm，扭矩管直径为133mm，实体模型如图3.3所示。 槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计 链接：/tech/99165.html 1、总体优化方案的确定 制定总体优化方案之前，首先要确定优化方法。优化方法有尺寸优化、形状优化和拓扑优化三大类。拓扑优化具有 尺寸优化和形状优化所不具有的特性，应用于轻量化方面的优化潜力远大于尺寸优化和形状优化，所以本文选定拓扑 优化方法来对聚光器结构进行轻量化设计。 槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计 链接：/tech/99165.html 在选定了优化方法之后，就要确定优化设计的研究对象，进而建立拓扑优化模型，但在建立拓扑优化模型前需要先 确定镜子和支架的连接位置，镜子支撑位置不同，结构的受力分布就不同，对优化结果会产生重要的影响，为了使优 化结果可靠，需要先优化镜子支点的位置。拓扑优化模型建立后，通过拓扑优化设计得到拓扑优化结果，然后需要根 据一定的原则对优化结果进行可制造化处理，随后再进行尺寸优化，从而得到新的支架结构，并分析优化前后结构的 刚度、强度，评价其优化结果的优劣。 2、拓扑优化数学模型的建立 本文选用变密度法进行拓扑优化设计，优化空间个单元的相对密度为设计变量，优化后的体积作为约束条件，且要 求体积分数小于0.3（体积分数=（当前迭代的总体积-非设计域体积）/初始设计体积）。为了使聚光器支架具有较大 的刚度（即反射镜变形较小），选择聚光器结构的柔度为目标函数，优化目标为支架的柔度最小，即支架的刚度最大 ，则聚光器支架结构拓扑优化的数学模型为： 其中，Xi（i=1,2，...，n）为设计变